3D打印路径是指3D打印喷嘴的路径。在3D打印的过程控制喷嘴、平台运动,实现控制熔体以线条形式粘附在平台上时的方向。通过切片软件的参数设置,即可规定逐层打印的过程中3D打印的路径,即喷嘴挤出熔体的方向。因为熔体路径也决定了3D打印玻璃纤维增强复合材料中纤维的路径。因此3D打印路径对3D打印复合材料力学强度及纤维取向有重要作用。四种不同3D打印路径,分别为回形路径、0°路径、±45°路径、±90°路径,图中线条所示为喷嘴处熔体挤出后在平台上粘附方向的示意图,图中空白间隙部分未画出熔体但熔体存在。针对这四种路径,分别研究其力学性能、纤维长度、微观性能等,以确定最适合的3D打印制备玻璃纤维增强聚乳酸复合材料的3D打印路径。
强度随打印路径变化而发生剧烈变化,当3D打印路径为回形路径时,复合材料力学强度最小,此时拉伸强度和弯曲强度分别为42.3MPa和29MPa;当3D打印路径为±45°路径时,拉伸强度和弯曲强度分别为47.5MPa、32.5MPa;当3D打印路径为±90°路径时,拉伸强度和弯曲强度分别为48.6MPa、34.2MPa,这是因为当3D打印路径为回形路径时,从喷嘴中挤出的熔体之间容易产生间隙,而且没有熔体之间的路径交叉,故此时玻璃纤维增强聚乳酸复合材料力学强度最小;当3D打印路径为0°路径时,从喷嘴中挤出的熔体线径之间不会出现间隙,而且打印方向决定了纤维的方向,一定程度上提高了复合材料的力学性能,高于回形路径时的复合材料强度;当3D打印路径为±45°路径时,从喷嘴中挤出的熔体之间以90°的夹角逐层交叉,复合材料的力学强度因此提高;当3D打印路径为±90°路径时,从喷嘴中挤出的熔体之间以90°的夹角逐层交叉,纤维方向沿着拉伸方向,所以复合材料的力学强度较±45°时更高。
由此可知,不同3D打印路径对复合材料微观性能的影响体现为对纤维取向的保留,还体现为对纤维取向的影响,玻璃纤维取向由于打印路径的回形而不明显;纤维取向规律明显,为统一直线型;纤维取向以一定角度交叉;纤维取向明显,以垂直角度交叉;不同路径制备的复合材料力学性能差异也由不同路径制备的复合材料的微观性能决定,取向性能的差距验证了力学性能的差异。
综上所述,通过对3D打印路径对复合材料力学性能及微观性能的研究,可以确定FDM型3D打印机制备玻璃纤维增强聚乳酸复合材料时,在上述四种打印路径中,使用±90°3D打印路径效果最优。
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